近年来，智能可穿戴式设备已经逐渐普及，且用户对设备认知度不断的攀升，市场不断增速发展。可穿戴设备与人体密切接触，能够采集到多种人体数据，提供视觉、触觉、听觉、健康监测等多方面的交互体验。随着材料科学、制作工艺和应用需求的迅猛发展，人体运动智能可穿戴设备中的柔性传感器己成为研究的热点。

柔性压力传感器是一种用于感知物体表面作用力大小的柔性电子器件，能贴附于各种不规则物体表面，在医疗健康、机器人、生物力学等领域有着广泛的应用前景。为了满足柔性界面、曲面和不规则形状界面上作用力测量的需求，柔性压力传感技术是在柔性的基板上形成具有轻、薄、小巧、可挠性特点的压力传感技术。那如何利用Digimat帮助研发柔性压力传感器呢？我们接着往下看：

首先利用TPU（Thermoplastic polyurethane）纳米纤维，能够形成复杂的无纺布网格结构，进而制备灵敏度达到63.93kPa-1的高精度压力传感器。但对于纳米无纺布结构，由于涉及到大量纤维之间的接触问题，使用通用有限元软件很难建立精确的力-电耦合材料模型。

图1. 纳米纤维无纺布结构的微观力-导电性曲线

图2. 纳米纤维无纺布的宏观力-导电性曲线

通过RVE计算得到纳米纤维无纺布的材料宏观压力-导电性曲线（材料电导率与应力相关），就可以评估不同接触面构型压力传感器的压力-导电性曲线，优化/压力传感器特性。

图3 不同接触面构型传感器的电流导通过程

Digimat材料多尺度仿真分析流程

1. 选取TPU纳米纤维微观结构，利用Digimat-FE建立RVE单胞，研究材料的压电特性的微观机理，得到材料等效压电特性曲线；

2. 对比纯TPU材料测试数据、RVE结构计算得到宏观等效力电特性，修正RVE单胞参数，复现材料的宏观力电耦合特性；

3. 建立宏观的压力传感器有限元模型，在Marc中使用Digimat里计算得到的力-电材料模型，进行压力-导电性曲线的仿真试验，研究不同接触面构型压力传感器力电特性，优化传感器结构设计。

分析结果

计算对比了两种宏观结构压力传感器的性能曲线：平面接触压力传感器、突触面接触压力传感器，如图4所示。仿真分析结果表明，在同样压力变化情况下，突出面压力传感器中的相对电流变化更大，对压力的变化更加灵敏，更适合作为高灵敏度压力传感器的设计方案。

图4. 两种结构形式的压力传感器的压力-导电性曲线对比

总结

Digimat结合Marc分析，可以精确模拟压力传感器工作过程中的压力-电流曲线，Digimat通过RVE单胞分析，在微观尺度揭示了材料力-电耦合机理，为相关材料的优化提供了理论依据。

利用Digimat得到复杂TPU纤维网络结构的精确宏观材料模型，可评估不同传感器结构形式的性能，优化力-电耦合压力传感器的设计方案。

更多信息请参阅论文：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721052748